工程和制造公司穆格（Moog）是设计、制造和销售高性能液压阀产品的领导者，在航空航天领域尤其活跃。穆格建立了内部增材制造中心，中心拥有12台粉末床选区激光熔化金属3D打印设备，以及近10台非金属3D打印设备。在过去的十年中，穆格一直通过研发中心、计量与材料分析实验室、应力消除热处理炉来开展增材制造液压元件的设计、生产、后处理以及检测工作。

穆格增材制造中心的金属3D打印设备。
来源：Fluid Power World

 制造与传统产品不同的液压元件

穆格自2013年成立第一个研发中心以来就一直积极从事金属增材制造业务。后来穆格决定将两处增材制造设施进行合并，在2018年成立了新的增材制造中心，从而提高利用增材制造技术进行创新的能力。

穆格的产品组合中有大量的液压产品，因此增材制造中心开展了金属3D打印技术在液压元件制造中的应用。

 穆格开发的金属3D打印液压元件。来源：穆格

例如，穆格通过金属3D打印设备直接制造集成流体通道的液压歧管，这是传统制造方法无法实现的。穆格专为增材制造而设计的液压歧管，将多个组件集成为一个整体设计，具有显著的重量减轻与紧凑的尺寸，并具有更高的流动性能。在制造过程中，功能集成的设计，消除了零件焊接需求。

另一个典型应用案例是通过金属3D打印技术制造扰流板伺服控制制动器中的液压油缸，材料为15-5PH不锈钢。穆格基于一个不锈钢锻造件进行重新设计，3D打印液压油缸的制造时间缩短至一周内。

穆格还与意大利理工学院（IIT）合作，为HyqReal机器人开发了集成智能执行器（ISA ），增材制造的智能执行器满足了机器人制造的轻量化和紧凑设计的需求。

穆格在应用探索中发现，目前金属3D打印技术最适合在需要成本和交货时间优势的应用中使用，此外，该技术在产品性能优化方面也起到了积极作用。穆格在设计增材制造液压元件时优化了散热性能，创建具有更好散热性能或隔离热量的产品。

在掌握增材制造优势的同时，穆格发现液压零部件制造所用的粉末床金属3D打印技术仍存在难以满足液压件制造需求之处。比如说在表面光洁度方面无法直接满足制造需求，穆格在增材制造完成后将进行表面加工。而对于后处理的需求，穆格通常会在产品设计时就进行权衡，尽量通过增材制造设计原则减少对后加工的需求。

穆格看到了增材制造技术在交货时间、减轻重量、性能优化和复杂液压组件制造成本方面所具有的优势，他们将金属增材制造视为一种正在增长的液压元件制造方式，并投入很多时间完善液压元件的增材制造工艺，生产质量可重复、能够承受流体高压应用的增材制造液压产品。

 3D科学谷Review

正如穆格在实践中所体会到的那样，增材制造技术在实现液压元件轻量化、提高流动效率、无模具、可快速迭代等方面具有优势。

3D打印在液压领域应用的五大优势
来源：3D科学谷《3D打印与液压行业白皮书1.0》

这一切看似简单，但实践过程并不容易。液压制造商必须考虑流体、压力所带来的设计复杂性，考虑如何在系统内部定位歧管，内部支撑的放置位置等众多因素。对于液压制造商而言，应用增材制造技术的更大难处在于，如何制造根据“增材制造设计思维”开发液压元件。

传统液压元件与3D打印液压元件在设计上有着显著的不同。以液压阀为例，传统液压阀块为规则的长方块状结构，而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。

传统加工方法的制约某种程度上使得流体与结构拓扑优化后的液压零部件加工制造遭遇一定的难度，而仿真技术与3D打印-增材制造技术结合，正在突破着传统液压元件设计思维与制造的局限性，并推动液压元件设计优化与性能升级。

3D科学谷曾在谷.专栏《仿真技术与3D打印推动液压元件性能升级》中，介绍过仿真技术如何在3D打印驱动液压元件性能升级的道路上发挥“助推器”的作用。随着3D打印-增材制造技术的不断成熟和应用，通过CFD和FEM在制造前预测性能、优化设计并验证产品行为，泵、阀等零件经过结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后通过增材制造技术加工出来。CFD、FEM技术与增材制造技术相得益彰，互相成就，共同推动液压零件实现性能升级。

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现在，穆格着眼于在提高金属增材制造（金属AM）方面的工艺知识和冶金理解以引领行业的发展，穆格宣布将铜应用添加到其客户可用的日益增多的产品清单中。

图片：金属3D打印的铜零件，来源穆格

穆格表示由于铜具有出色的传热特性和导电性，铜元件的热稳定项目引起了很大的兴趣。与传统的铣削和车削相比，将金属增材制造的所有优点结合在一起，消除了设计限制，扩大了部件配置选择范围，对于特定部件来说，铜成为一个非常令人兴奋的选择。

流程开发是穆格持续的使命，穆格正在改进对铜的工程和冶金的理解，而不仅仅是关注穆格客户当前想要的材料。

铜金属的加工不仅仅涉及到穆格对其直接金属激光熔融设备的增材制造工艺的理解，对于铜金属的后处理能力和其他加工能力也是十分重要的。在3D打印过程中由于铜可以反射激光能量，简单地提高功率也会带来加工挑战。 在后处理过程中，通过HIP（热等静压）和热处理来满足铜零件所要求的性能参数，这一切都在不断的探索和不断的完善过程中。

穆格的努力是基于其雄厚的制造基础的，在传统的减材制造过程中，通过多年的经验，穆格了解了加工工艺、热处理、铸造和锻造工艺对材料性能（包括损伤容限和疲劳寿命）的影响。其中，损伤容限（damage tolerance）是一种较新的结构设计理论。该理论假设，任何结构材料内部都有来自加工及使用过程的缺陷，而设计者的任务是利用各种损伤理论（如断裂力学）以及给定的外载荷，确定这些缺陷的扩展速度以及结构的剩余强度。 对于经受变化载荷的结构，如飞机、轮船、车辆等，损伤容限设计要结合无损探伤技术和疲劳理论，提供结构的检验期限，以保证结构中存在的裂纹在该期限内不会扩展为临界裂纹。 由于微缺陷是无处不在的，而结构的疲劳破坏往往是从微缺陷开始的，因此，对于飞行器的强度安全性分析已经逐步由静、动、疲劳强度强度转移到损伤容限分析。这也是NASA、FAA等机构对于飞行器强度认证的主要考评内容。

为此，穆格制订了自己的增材制造标准被成为Moog Standards,这个内部标准也被称作工艺规范矩阵。有了这些过程和支持数据在手，穆格就可以进一步将金属3D打印推向更加深入的航空硬件制造来。

––-- 3D科学谷Review

3D打印铜合金零部件是航空制造业所重视的领域。根据3D科学谷的市场研究，2015年，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室内衬3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。在国内，西安铂力特已研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，突破了铜材料的激光成形技术，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管。

铜的3D打印充满挑战，由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化（SLM）3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

在新一代RL10发动机研制过程中，Aerojet Rocketdyne 使用粉末床选择性激光熔化3D打印技术制造了铜合金推力室部件。这个3D打印部件与2017年4月通过了美国Defense Production Act Title III项目管理办公室进行的点火测试。相比传统的制造工艺，选择性激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化，这正是火箭发射技术所需要的。但Aerojet Rocketdyne在获得这个铜合金推力室部件的过程中也遇到了不小的挑战，铜金属在激光熔化的过程吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制。

2017年，Fraunhofer ILT推出了用于铜金属3D打印的“SLM绿色”项目，在绿色激光器中，与1μm波长的波长相比更短，波长在515nm。根据ILT“这意味着更少的激光功率输出，此外，激光束可以更精确地聚焦，使其能够使用新的SLM工艺制造更加精细的部件。

参考来源：穆格
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60多年来，穆格的运动控制技术已经被广泛应用于民用机座舱、发电风机、一级方程式赛车、医用输液系统等众多的市场和应用领域，有效提高相关产品的性能。 从创立到渗透到新的前沿应用领域，穆格已经培养了深入企业文化的“搬着石头过河”的开拓精神。

2015年12月，穆格收购线性模具工程公司的部分股权。2017穆格完全收购这家公司，现在被称为穆格线性。通过此次收购，基于线性模具工程公司所拥有的超过十年的金属3D打印经验，穆格线性取得了来之不易的实践知识，从而将金属3D打印零件推向小批量生产领域。

图片：来源Moog

引入增材制造的关键应用带来了一些挑战，尤其是对于穆格来说，关键应用包括军事航空、载人和无人驾驶、空间应用以及医疗应用领域，这些应用领域具有严格的质量和可追溯性要求。

关于商业航空领域的一个关键应用案例，增材制造的使用提出了一些新的挑战，质量认证工程-这个术语不是描述一种制造方法，而是一系列方法，每一种方法都有自己的关注点和要求。目前商用航空认证的零部件主要集中在粉末床融化加工（PBF）过程。 穆格在制造过程中发现几个重大的变化，需要特别考虑认证的目的。

在传统的减材制造过程中，通过多年的经验，穆格了解了加工工艺、热处理、铸造和锻造工艺对材料性能（包括损伤容限和疲劳寿命）的影响。其中，损伤容限（damage tolerance）是一种较新的结构设计理论。该理论假设，任何结构材料内部都有来自加工及使用过程的缺陷，而设计者的任务是利用各种损伤理论（如断裂力学）以及给定的外载荷，确定这些缺陷的扩展速度以及结构的剩余强度。 对于经受变化载荷的结构，如飞机、轮船、车辆等，损伤容限设计要结合无损探伤技术和疲劳理论，提供结构的检验期限，以保证结构中存在的裂纹在该期限内不会扩展为临界裂纹。 由于微缺陷是无处不在的，而结构的疲劳破坏往往是从微缺陷开始的，因此，对于飞行器的强度安全性分析已经逐步由静、动、疲劳强度强度转移到损伤容限分析。这也是NASA、FAA等机构对于飞行器强度认证的主要考评内容。

图片：穆格线性通过CT扫描分析零件几何槽形认证

在PBF粉末床融化加工过程中，本质是金属粉末融化凝固的过程，每个激光点创建了一个微型熔池，从粉末融化到冷却成为固体结构，光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小，从而影响着零件的微晶结构。相当于在同一时间完成了几何形状的“铸造”和材料性能的“设计加工”过程。对于穆格来说，这个过程最为复杂。

图片：穆格线性制造的承重连接件减少了93%的交货时间

所以，穆格需要增材制造过程中的变化可以被识别和控制，以便达到可重复的加工结果。

这些需要考虑的影响因素可以包括： 零件与加工设计、粉末规格及处理、粉末熔化过程、后处理及表面处理工艺、检查方法、控制系统配置及相关软件数据、加工干扰及中断、杂质污染、工艺验证、校准和维护要求和实践、操作人员的培训水平等。

其中，材料特性导致的缺陷包括无法通过优化3D打印特征参数予以解决的缺陷，主要为气孔。而由于工艺参数或设备等原因导致的缺陷，可以称之为特征参量导致的缺陷，主要有孔洞、翘曲变形、球化、存在未熔颗粒等。

为了融化粉末，必须有充足的激光能量被转移到材料中，以熔化中心区的粉末，从而创建完全致密的部分，但同时热量的传导超出了激光光斑周长，影响到周围的粉末。当激光后的区域温度下降，由于热传导的作用，微型熔池周围出现软化但不液化的粉粒。正如你所看到的，有许多因素要考虑。穆格的研究工作值得参考的是，他们已经建立起一个很好的过程文件，以控制增材制造过程变量，并通过收集和分析客观的数据证据，建立过程的可重复性。

为此，穆格制订了自己的增材制造标准被成为Moog Standards,这个内部标准也被称作工艺规范矩阵。有了这些过程和支持数据在手，穆格就可以进一步将金属3D打印推向更加深入的航空硬件制造来。

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穆格第一次进军增材制造领域（AM）要追溯到15年前。因为穆格以擅长们制造复杂零件著称，所以他们很容易看到金属3D打印的价值。本期，3D科学谷与谷友通过穆格的金属增材制造案例来感受3D打印的价值。

穆格真正的目标是金属3D打印部件，粉末床激光技术看起来是最成熟的、最适合穆格应用的技术。虽然早期试验的结果令人失望，至少层间分层是常见的，孔隙度很大，材料性能缺乏。不过当时穆格并没有放弃这种技术，每隔几年，他们都会尝试打印更多的零件，并通过外部服务供应商来做打印结果的对比。

图片：穆格通过金属3D打印制造的液压零件

大约5年前，金属3D打印部件的质量开始明显改善。增材制造零件的质量迅速变得越来越好，机器变得越来越成熟，并随时可用。如今，穆格位于纽约东Aurora的AMC（Additive Manufacturing Center)增材制造中心已经变得相当忙碌，已经生产了6000多个零件。

图片：穆格通过金属3D打印制造的连接零件

在穆格看来，增材制造是机遇与挑战并存的技术，所以他们研究工作的重要部分是解决挑战。通过以下的案例，我们可以感受穆格解决增材制造挑战的努力。

增材制造案例：减少交货时间

穆格在设计与制造商用和军用飞机飞行控制系统方面尤为领先。在飞机试飞计划完成之前，飞行测试结果总是有可能推动硬件设计的变化。而传统制造相关的技术不仅意味着长的交货期，还意味着在硬件方面重大的投资需要，这使得设计迭代过程缓慢而昂贵。直到飞行试验程序结束，整个设计周期才算告一段落。

穆格的一个真实案例是扰流板伺服控制致动器中用到的材质为15-5PH不锈钢的液压油缸。生产这种设计是基于一个不锈钢锻造件，这个锻件是从航空航天供应商那里采购的，然后运送到穆格进行加工，这些供应商资格的证明和供货以及生产需要长达12个月的周期。

通过金属3D打印制造15-5PH零件被认为有潜力替代小规模的初始生产。当你需要进行设计迭代的时候，被优化的设计零件在一个星期内就打印完成了。在打印过程中，就可以准备后期机加工所需要的刀夹具，这使得供应链周期进一步缩短，不仅减少刀具的需要和降低高库存的风险，并且还打开了另一个商业化空间：打印备品备件。

从左到右的图像：3D打印的液压油缸与锻造的液压油缸,以及对带有3D打印的液压油缸的扰流板伺服控制致动器的测试

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